臺灣博碩士論文加值系統

我們利用兩種實驗技術研究氣體反應動力學，第一個技術利用衝擊波管-原子共振吸收法，量測高溫下O + HCl反應速率常數並對其動力學加以探討。第二個技術利用快速流動反應器-飛行時間質譜儀，對半導體金屬團聚體之反應性作動力學方面之探討。實驗結果如下：
(一)、在衝擊波管的實驗中，以SO2及N2O為氧原子之前驅物，在高溫範圍內（1078-3117 K）針對O + HCl → OH + Cl反應之反應速率常數來進行量測。將適當之動力學反應模式利用FACSIMILE程式來分析實驗數據，可去除前驅物SO2和反應的產物SO及OH對O原子反應的干擾，得到O + HCl反應速率常數k。將吾人之實驗數據與Mahmud實驗組的文獻值之溫度變化作三參數適解，得到反應速率常數隨溫度之變化為k(T) = (4.42±0.03)e-24 Te(3.77±0.18)exp[(-980±160) K/T] cm3 molecule-1 s-1。實驗證實了Mahmud的推斷，O + HCl → OH + Cl反應速率常數在高溫範圍內較Arrhenius方程式所預測者為高。在B3LYP/6-311+G(3df,2p)的理論層級下，找到了一個新的接近線性結構的過渡態TS2(3A”)，位能高度介於角形過渡態TS1(3A”)和線形過渡態TS3(3A’)之間。考慮上述之過渡態，利用Eckart tunneling修正的過渡態理論與包含變動及小曲率穿遂的Polyrate修正程式所計算出的反應速率常數，與實驗數據比較得到令人滿意的結果。反應速率常數在溫度大於2500 K上昇速率加快，可以由經由TS2的這個路徑對反應的貢獻明顯的增大來解釋。
(二)在半導體金屬團聚體反應性的實驗中，主要研究矽團聚體與NH3的反應。此反應具有尺寸效應，其中Si16、Si21、Si24和Si28具有非常好的反應性。Si21和Si24與NH3的反應會達成了平衡反應，我們可以利用van’t Hoff方程式，求出Si21和Si24與NH3反應的反應焓（DH）及反應熵（DS），分別是DH = -14.4±0.6和-15.2±1.0 kcal mol-1，DS = -19.3±1.8和-21.7±3.8 cal mol-1K-1。Si16與NH3的反應則處於動力學主導之下。其他大部分的矽團聚體與NH3的反應都處於平衡和動力學主導之間。在低溫下量測尺寸介於6到40之間矽團聚體與NH3的二級反應速率常數kII，發現矽團聚體與NH3的反應速率約為碰撞速率的十分之一，外伸擺盪鍵的密度也許可以解釋這樣的差異。

第一章 緒論 ………………………………………………… 1
1-1 衝擊波管 …………………………………………… 1
1-1-1 衝擊波的特性 ……………………………………… 3
1-1-2 衝擊波的優點 ……………………………………… 5
1-1-3 衝擊波的限制 ……………………………………… 6
1-2 飛行時間質譜儀 …………………………………… 9
1-3 參考文獻 …………………………………………… 10
第二章 實驗原理 …………………………………………… 14
2-1 衝擊波的流體動力學理論 ………………………… 14
2-1-1 衝擊波流體動力學理論的歷史概要 ……………… 14
2-1-2 一維空間流體的守恆方程式 ……………………… 15
2-1-3 固定熱容量的理想氣體守恆方程式的解 ………… 24
2-1-4 在固定熱容量的理想氣體中反射衝擊波
守恆方程式的解 …………………………………… 27
2-2 飛行時間質譜儀原理 ……………………………… 32
2-2-1 直線飛行式質譜儀-空間-時間聚焦方法 ………… 33
2-2-2 反射飛行式質譜儀-能量-時間聚焦方法 ………… 36
2-3 擬一級反應 ………………………………………… 39
2-4 自由基的生成與偵測 ……………………………… 40
2-4-1 自由基的產生方法 ………………………………… 40
2-4-2 自由基的偵測 ……………………………………… 42
2-5 參考文獻 …………………………………………… 45
第三章 實驗系統 …………………………………………… 62
3-1 衝擊波管 …………………………………………… 62
3-1-1 反應系統 …………………………………………… 62
3-1-1-A 高壓氣體驅動區 …………………………………… 63
3-1-1-B 低壓氣體反應區 …………………………………… 64
3-1-2 衝擊波速度偵測系統 ……………………………… 65
3-1-3 真空抽氣系統 ……………………………………… 65
3-1-4 自由基偵測系統 …………………………………… 65
3-1-4-A 光解雷射系統 ……………………………………… 65
3-1-4-B 原子共振吸收光譜系統 …………………………… 66
3-1-4-C 光電倍增管 ………………………………………… 67
3-1-4-D 示波器 ……………………………………………… 68
3-1-4-E 脈衝產生器 ………………………………………… 68
3-1-5 溫度及濃度的計算 ………………………………… 69
3-1-6 藥品配製 …………………………………………… 69
3-1-7 實驗步驟 …………………………………………… 70
3-2 金屬團聚體反應系統 ……………………………… 72
3-3 參考文獻 …………………………………………… 74
第四章 利用衝擊波管量測O + HCl反應速率常數
及其動力學之探討 ………………………………… 83
4-1 前言 ………………………………………………… 83
4-2 氧原子自由基濃度的校正曲線 …………………… 84
4-3 N2O熱分解速率常數 ……………………………… 86
4-4 O + HCl → OH + Cl反應速率之研究 …………… 89
4-4-1 反應速率常數的量測 ……………………………… 89
4-4-2 位能曲面及反應機構 ……………………….…….. 94
4-4-3 反應速率常數的計算 ……………………………… 97
4-5 結論 ………………………………………………… 98
4-6 參考文獻 …………………………………………… 99
附錄(4-1) …………………………………………… 105
第五章 半導體金屬團聚體之反應動力學探討 …………… 127
5-1 緒論 ………………………………………………… 127
5-2 實驗結果 …………………………………………… 131
5-2-1 Sin + NH3 ………………………………………… 131
5-2-2 同分異構體對反應的影響 ………………………… 132
5-2-3 溫度對反應性的影響 ……………………………… 134
5-2-4 Sin和NH3之間的平衡反應：Si21、Si24 ………… 136
5-2-5 動力學控制：Si16 ………………………………… 139
5-2-6 半平衡的情況 …………………………………… 139
5-2-7 在273 K的化學動力學測量 ……………………… 140
5-3 鍺和錫團聚體與氨氣的反應 ……………………… 141
5-4 半導體金屬團聚體與其他反應試劑的反應結果 … 141
5-4-1 Sin + C2H2、C3H6 ………………………………… 141
5-4-2 Sin + H2、CH4 ……………………………………… 142
5-4-3 Sin + NO …………………………………………… 142
5-4-4 Gen、Snn + NO …………………………………… 143
5-5 討論 ………………………………………………… 143
5-5-1 矽表面的比較 ……………………………………… 143
5-5-2 中性矽團聚體與矽離子團聚體反應性的比較 …… 145
5-6 結論 ………………………………………………… 148
5-7 參考文獻 …………………………………………… 149
附錄(5-1) …………………………………………… 153

第一章:
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